关于LED灯具二次配光透镜材料的选用

朱少锋

（陕西烽火集团烽火佰鸿公司，陕西 西安 710075）

LED作为新型绿色节能长寿命光源已经在很多领域得到广泛应用，特别是在照明领域当中已经开始替代传统光源，并有愈演愈烈之势；LED芯片理论上发光是360°，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180°（大于180°范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚所有光线并可得到如 180°、150°、120°、90°、60°等不同的出光角度；但是由于LED灯芯选定之后，发光角度一定要有合适的配光效果才能在各个不同的领域使用；故必须在LED灯具照明系统中加二次配光透镜来改善灯具的配光，已达到不同照明效果的要求；为配合LED光源的长寿命以及高性能，对二次透镜的材料的选用也提出了很高的要求。

1 LED二次配光透镜的分类

（1）穿透式（凸透镜）。

（2）折反射式（锥型或杯型）。

（3）透镜模组。将多个单颗透镜通过注塑集合成一个整体的多头透镜，按不同需求可以设计成四合一、八合一，甚至几十合一的透镜模组，现阶段陕西烽火集团烽火佰鸿公司应用最多的为十六合一透镜；此设计可有效节省生产成本，实现产品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。

1 LED透镜材料的种类及其优缺点

到目前为止透镜材料主要有以下几种：硅胶透镜；PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；PC（聚碳酸酯）；玻璃透镜。

（1）硅胶透镜。由于固态硅胶较难加工，生产周期比较长，故应用较多的一般为液态硅胶。①因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用来直接封装在LED芯片上。②一般硅胶透镜体积较小，直径3～10mm，当结构尺寸比较大时，不适宜用液态硅胶做透镜材料，紧固与加工使用都存在问题；

（2）PMMA透镜。① 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）。②塑料类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80°（热变形温度92°）。

（3）PC透镜。①光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。②塑料类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110°（热变形温度135°）。

（4）玻璃透镜。光学玻璃材料，优点：具有透光率高(3mm厚度时穿透率97%)、耐温高等特点;缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。

目前，业内对二次配光透镜主要采用注塑的方式进行生产，综合价格与生产实际考虑，主要采用PMMA和PC材质的透镜，下面全文主要根据不同的使用要求对以上两种材质进行对比说明。

2 二次透镜使用环境及要求

根据灯具的使用环境不同主要分为以下几种环境：

（1）室内灯具透镜。室内灯具透镜主要对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等有严格的要求；对于室内灯具灯具一般的使用环境温度较恒定，室内温度为20℃（除过高温环境），LED灯具节温要求控制在85℃以下，灯具腔体内与透镜直接接触点温度在控制在75℃以下。

（2）室外灯具透镜。室外灯具主要对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度以外，对抗UV（紫外线）及风沙方面也有很高的要求；对于室外灯具，在夏季户外的温度一般都比较高，局部温度可以达到40℃左右，再加上户外灯具功率一般都比较大，灯具内部与透镜接触部分的温度会很高；还有随着LED灯芯技术的发展，在满足灯具寿命的前提下，LED的灯芯节温现在已经可以达到125℃左右，故灯具墙体内与透镜接触处温度在最高环境温度下可以达到110℃左右。

3 二次配光透镜的设计、加工与生产

现阶段，设计和生产相应的透镜产品，只需要选择合适的颗粒料，直接注塑加工成型，就可以得到想要的产品。

设计时根据不同厂家材料的物性表，可以进行折射率等相关光学参数设定，两种材料均可满足配光设计的需求；根据材料物性表可以看出，PC料与PMMA料除过透光率和热变形温度之外，其它指标都可以根据选用材料的不同来做相应的设计该进，调整都可以满足使用。 PC材料的透光率88%，温度不能超过 110℃，PMMA材料的透光率 93%，温度不能超过80℃。

作为灯具产品来说，最主要的性能是产品的灯具的发光效率（光效）与可靠性，故透镜材料透光率的高低将会直接影响灯具的效率，在LED来说5%的效率将会对灯具品质造成很大的影响。

两种材料都是直接采用注塑机注塑成型，对生产设备要求，以及生产难易程度，价格成本基本上一致；唯一不同的是，透镜成品将来固定方式的选择也会影响到透镜的材质。

目前LED的固定方式主要有胶粘和螺钉固定两种，对于胶粘来说，PC与PMMA的材料都可以用；但是对于螺钉式固定，由于PMMA材质的透镜比较脆，特别是薄壁透镜，稍微用力就会将透镜弄列，故透镜的壁厚和固定方式也会对材料的选择产生影响。

故在使用环境温度低于80℃的情况下，尽量使用透光率高的透镜（PMMA）；当最高使用环境温度高于80℃时，必须采用耐温高的PC材质的透镜。

4 结语

现阶段LED二次透镜材料主要有PC和PMMA两种，根据每款灯具的要求与使用环境选择合适的透镜材料是灯具可靠性的必要保证。希望随着科学的发展，在二次配光透镜上可以采用更加经济实惠的材料。